レプリケーションのタイミング

複製のタイミングとは、染色体の長さに沿った DNA セグメントが複製される順序を指します。

真核細胞（核内に DNA を収めた細胞）では、染色体は非常に長い線状の二本鎖 DNA 分子で構成されています。各細胞周期の S 期（図 1）では、細胞内のすべての DNA が複製され、次の細胞分裂後に各娘細胞に 1 つのコピーが提供されます。DNA を複製するプロセスはDNA 複製と呼ばれ、最初に DNA 複製起点と呼ばれる多くの場所で二本鎖 DNA 分子をほどき、次にコピーされる DNA をほどく解凍プロセスによって行われます。ただし、複製はすべての異なる起点から同時に開始されるわけではありません。むしろ、これらの起点が起動する時間的な順序が定義されています。多くの場合、いくつかの隣接する起点が開いて染色体のセグメントを複製し、しばらくしてから、隣接するセグメントで別の起点のグループが開きます。複製は必ずしも毎回まったく同じ起点から始まるわけではありませんが、各セグメント内の複製が正確にどこで始まるかに関係なく、セグメントは同じ時間的順序で複製されるように見えます。図 2 は、これが一般的にどのように発生するかを示した漫画で、図 3 は、 1 種類のヒト細胞内で異なるセグメントが複製される様子を示したアニメーションです。

ゲノムのすべてのセグメントの複製の時系列は、複製タイミング プログラムと呼ばれ、現在では 2 つの異なる方法で簡単に測定できます。^[1] 1 つの方法は、細胞ごとに染色体の長さに沿って異なる DNA 配列の量を測定するだけです。細胞分裂のかなり前に最初に複製される配列は、細胞分裂の直前に最後に複製される配列よりも各細胞で豊富になります。もう 1 つの方法は、合成時に鎖に組み込まれる化学的にタグ付けされたヌクレオチドで新しく合成された DNA をラベル付けし、複製プロセス中のさまざまな時点で細胞を捕らえ、化学タグを使用してこれらの各時点で合成された DNA を精製することです。どちらの場合でも、各配列がどれだけ存在するかを読み取る機械を使用して直接的に、またはマイクロアレイ ハイブリダイゼーションと呼ばれるプロセスを使用して間接的に、染色体の長さに沿った異なる DNA 配列の量を測定することができます。いずれの場合も、各染色体の長さに沿った複製の時系列は、グラフ形式でプロットして「複製タイミング プロファイル」を作成できます。図4は、ヒト染色体2の70,000,000塩基対にわたるそのようなプロファイルの例を示しています。^[2]

現時点では、タイミング プログラムを調整するメカニズムやその生物学的意義についてはほとんどわかっていません。しかし、これは細胞核内の染色体の折り畳みに関する、あまり理解されていない多くの特徴と関連している興味深い細胞メカニズムです。すべての真核生物はタイミング プログラムを持っており、このプログラムは関連種で類似しています。^{[3] [4] [5] [6] [7]}これは、タイミング プログラム自体が重要であるか、何か重要なものがプログラムに影響を与えていることを示しています。DNA を特定の時間順序で複製することが、DNA 分子を複製するという基本的な目的のためだけに必要である可能性は低いです。それよりも、他の染色体特性または機能に関連している可能性が高いです。複製のタイミングは遺伝子の発現と相関しており、細胞内で利用されている遺伝情報は、使用されていない情報よりも一般的に早く複製されます。また、複製タイミング プログラムは、遺伝子の発現の変化とともに、発生中に変化することもわかっています。

何十年も前から、複製のタイミングは染色体の構造と相関関係にあることが知られています。たとえば、雌の哺乳類は2 つの X 染色体を持っています。これらのうち 1 つは遺伝的に活性ですが、もう 1 つは発生初期に不活性化されます。1960 年に JH Taylor ^[8]は、活性 X 染色体と不活性 X 染色体は異なるパターンで複製され、活性 X 染色体は不活性 X 染色体よりも早く複製されるのに対し、他のすべての染色体ペアは同じ時間パターンで複製されることを示しました。またMary Lyon ^[9]は、発生中に染色体の遺伝的不活性化と同時に、不 活性 X 染色体が核内でバー小体^[10] (図 5 ) と呼ばれる凝縮構造をとることに気づきました。

これはそれほど驚くことではないかもしれない。なぜなら、DNAが合成された直後に、タンパク質とRNAとともにDNAがクロマチンにパッケージングされるからである。したがって、複製のタイミングがクロマチンの組み立ての時期を決定する。複製のタイミングと核内のクロマチンの3次元配置との関係は、それほど直感的ではない。クロマチンが細胞核内でランダムに構成されているのではなく、各染色体ドメインの隣接ドメインに対する位置がさまざまな細胞タイプに特徴的であり、この配置が新しく形成された各細胞で確立された後、染色体ドメインは次の細胞分裂まで目立った動きをしないということは、現在では広く認められている。^{[11] [12]}測定されたすべての多細胞生物において、初期の複製は核の内部で行われ、周囲のクロマチンは後で複製される。染色体のさまざまな部分が互いに接触する点を測定するために最近開発された方法は、それらが複製される時期とほぼ完全に一致している。^[3]言い換えれば、早期に複製される領域と遅く複製される領域は、核内で空間的に隔離されるようにパッケージ化されており、介在するDNAには起源活性が低下した領域が含まれています。^{[7] [13]} 1つの可能性は、膜や物理的障壁の助けを借りずに確立され維持されている核内のこれらの異なる区画が、複製開始の閾値を設定し、よりアクセスしやすい領域が最初に複製されるというものです。^[14]もう1つの可能性は、DNAセクションの複製タイミングがそのDNAのパッケージングに寄与しているということです。^{[15] [16]このプロセスの制御にはタンパク質}Rif1が関与していることが実証されています。^[17]

複製タイミングのもう一つの興味深い側面は、ほとんどの癌や多くの病気で複製の時間的順序が乱れていることです。^[18]この関連性の背後にあるメカニズムはまだ解明されていませんが、さらなる研究により、複製タイミングの変化がそのような病気の有用なバイオマーカーとして明らかになる可能性があることを示唆しています。現在では比較的簡単に測定できるようになったという事実は、発達中やさまざまな病気において染色体の折り畳みに大きな変化がいつどこで起こるかについて、すぐに豊富な情報が得られることを示しています。

• UCSCゲノムバイオインフォマティクス